不同物種TYR基因編碼蛋白結構及功能的生物信息學分析

郭敏　李祥龍

摘要：利用生物信息學方法對13個物種TYR基因編碼蛋白的理化性質，以及一級、二級、三級結構和亞細胞定位進行預測和分析，同時擬構建13個物種TYR基因的系統發育樹。結果表明：TYR基因編碼產物為不穩定蛋白（貉子除外），整條多肽鏈表現出親水性。二級結構主要為α螺旋、β折疊，β轉角區域分布少且散，均存在信號肽和跨膜區，可以判斷TYR基因編碼蛋白是定位于生物膜上的膜蛋白或分泌蛋白，主要在嘌呤和嘧啶、運輸和結合、電壓門控離子通道及轉錄中發揮作用。各物種TYR基因編碼產物主要定位于內質網、高爾基體以及細胞質膜。除原雞外，其他物種該蛋白均存在跨膜區，貉子有2個跨膜區域。各物種系統發育樹與動物學進化觀點基本一致。

關鍵詞：物種；酪氨酸酶基因；毛色；蛋白質結構；生物信息學

中圖分類號： Q754文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）21-0044-05[

[HJ14mm]

收稿日期：2016-06-01

基金項目：河北省高校創新團隊領軍人才培育計劃（編號：LJRC004）；河北省應用基礎研究計劃重點基礎研究項目（編號：15962901D）；河北省自然科學基金重點項目（編號：C2016407114）。

作者簡介：郭敏（1991—），女，內蒙古呼和浩特人，碩士研究生，研究方向為功能基因組學。E-mail：1908384796@qqcom。

通信作者：李祥龍，博士，教授，博士生導師，研究方向為動物遺傳育種。E-mail：lixianglongcn@yahoocom。

動物的毛色、羽色不但可以作為質量性狀，也可作為一種經濟性狀被利用。目前，綠色、環保、優質的毛皮產品已成為廣大消費者追求的目標。毛色表型主要受黑色素的影響，是黑色素在毛皮質和髓質中沉淀的種類和數量不同造成的。研究表明，動物毛色的形成主要與黑色素細胞中合成的2種色素（真黑色素、褐黑色素）比例有關。真黑色素通?？墒蛊つw或毛皮表現為褐色、黑色，褐黑色素能使皮膚或毛皮表現為黃色、紅棕色[1]，黑色素沉淀取決于這2種色素的相對含量。對于動物黑色素細胞而言，酪氨酸酶（tyrosinase，簡稱TYR）作為關鍵酶參與黑色素的合成[2]，具有加氧酶、脫氫酶雙重功能[3]，動物黑色素的形成主要遵循多巴（DOPA）途徑，指在動物體內，酪氨酸在TYR的催化作用下，經由DOPA、多巴醌、吲哚醌等形式，最后生成黑色素。酪氨酸酶相關蛋白酶1（TYRP1）、酪氨酸酶相關蛋白酶2（TYRP2）與酪氨酸酶（TYR）構成了酪氨酸酶基因家族，TYRP1、TYRP2各自催化特異的反應參與黑色素的合成，這3種成員協同調控黑色素的形成[4]，并且與其他毛色相關基因共同作用調控毛色的形成。引起黑色素代謝紊亂的主要原因是TYR基因突變或酶的失活，最終將導致機體組織異常表達[5]。有研究表明，哺乳動物TYR基因包含5個外顯子和4個內含子，序列長度約為16 kb[6]。本研究選用GenBank中已提交物種的TYR基因編碼蛋白序列，利用生物信息學方法對TYR基因編碼蛋白的結構與功能進行預測和分析，以期研究TYR基因及其編碼蛋白的功能，進而為該基因調控的動物毛色機制研究奠定基礎。

1材料與方法

11序列來源

[JP2]從美國國立生物技術信息中心（NCBI）網站（http：wwwncbinlmnihgov）的GenBank中下載包括斑馬魚、犬、東北虎、家兔、[JP3]家貓、綿羊、貉子、家牛、人、狨猴、原雞、中央蝙蝠、家豬等13個物種的TYR基因編碼蛋白序列[7]。序列來源見表1。

12蛋白結構分析

121一級結構利用Expasy開發的針對蛋白質基本理化性質的Protparam工具（http：wwwexpasyorgtoolsprotparamhtml）分析TYR基因編碼蛋白序列的相對分子質量、氨基酸組成、等電點（pI）、消光系數、半衰期、不穩定系數、總平均親水性等。同時通過 Expasy開發的Protscale工具對TYR基因編碼的蛋白質進行親水性、疏水性分析。利用TMHMM Server v20在線軟件（http：wwwcbsdtudkservicesTMHMM-20）預測跨膜區[8-9]。

122二級結構利用Chou & Fasman Secondary Structure Prediction Server軟件預測TYR基因所編碼蛋白質的α螺旋、β折疊和β轉角。同時，分別使用Protfun 22 Server[10-11]、Signal P 41 Server[12]在線軟件分析預測TYR基因編碼產物的功能分類和信號肽。

123亞細胞定位利用PSORT Ⅱ Prediction在線軟件（http：psorthgcjpform2html）對TYR基因編碼蛋白在細胞內的位置進行定位與分析[13]。

13構建系統發育樹

應用DNAMAN軟件對不同物種TYR基因編碼蛋白序列進行多序列比對并構建系統發育樹[14]。

2結果與分析

21不同物種TYR基因編碼蛋白的一級結構

211蛋白質理化性質由表2可知，13個物種TYR基因編碼蛋白的氨基酸組成相同，且亮氨酸（Leu）、絲氨酸（Ser）含量明顯高于其他氨基酸。表3為13個物種TYR基因編碼蛋白的理化參數，包括氨基酸數量、相對分子質量、pI值、分子式、原子總數、正電荷殘基數負電荷殘基數、不穩定指數、脂肪系數和親水性總平均值等。可以看出，脂肪系數均高達70以上，其中貉子的脂肪系數最高，達到8139；親水性總平均值表現為負值，說明這13個物種TYR基因編碼的蛋白均為親水蛋白；除貉子（不穩定指數<40，穩定）外，其他物種TYR基因編碼的蛋白均為不穩定蛋白質。endprint

212跨膜區分析通過軟件分析可知：貉子TYR基因編碼產物有2個跨膜區域，原雞TYR基因編碼產物無跨膜區域，第1～499 aa位于胞外。對13個物種進行跨膜區預測結果顯示，除原雞外，其他物種該蛋白均存在跨膜區（表4），揭示該蛋白是定位于生物膜的跨膜蛋白。

22不同物種TYR基因編碼蛋白的二級結構

221α-螺旋、β-折疊、β-轉角的預測經過軟件分析可知：在各物種TYR基因編碼蛋白的二級結構中，α-螺旋、β-折疊區域分布較廣，而β-轉角區域分布少且較分散（表5）。

222信號肽的預測通過分析蛋白序列有無信號肽，可以判斷此蛋白是否為分泌蛋白[15]。表6的預測結果顯示，原始剪切位點分值（raw cleavage site score，簡稱C值）的最大值與被結合的剪切位點的分值（combined cleavage site score，簡稱Y值）的最大值均趨向于+1，信號肽分值（signal peptide score，簡稱S值）的最大值在切割位點前高，在切割位點后低，符合信號肽的標準，可以判斷TYR基因編碼產物中存在信號肽。

223親水性與疏水性的預測親水性氨基酸一般位于蛋白分子表面，而疏水性氨基酸位于蛋白質分子的內部[16]。氨基酸的親水、疏水性可以用來判斷蛋白質折疊的大致趨勢。對13個物種TYR氨基酸序列的親水、疏水性進行預測，正值

表疏水，負值表親水；正值越大表示疏水性越強，負值越小表示親水性越強，表7結果顯示，13個物種整條多肽鏈均表現親水性，因此認為，TYR基因編碼產物為親水蛋白，且位于蛋白質分子表面。

23不同物種TYR基因編碼蛋白的亞細胞定位

如表9所示，各物種TYR基因編碼產物主要定位于內質網、高爾基體以及細胞質膜，其中人的該基因編碼產物有小部分定位于細胞外（111%），而原雞的該基因編碼產物主要定位于細胞外，比例高達667%，小部分定位于內質網、高爾基體及液泡中，且比例均為111%。

24不同物種TYR基因編碼蛋白的三級結構

對不同物種TYR基因編碼蛋白的三維結構進行同源建模，結果表明，各物種蛋白結構豐富多樣，存在大量折疊、螺旋扭曲，這些特點對物種的生物學功能具有重大意義。

25系統發育樹

3結論

不同物種TYR基因編碼蛋白脂肪系數均高達70以上，其中貉子最高，達到8139。除貉子外，其他物種TYR基因編碼蛋白均為不穩定蛋白質，整條多肽鏈表現親水性。除原雞外，其他物種該蛋白均存在跨膜區，貉子有2個跨膜區域，揭示該蛋白是定位于生物膜的跨膜蛋白。

TYR基因編碼蛋白的二級結構主要為α螺旋、β折疊，β轉角區域分布少且散，均存在信號肽、跨膜區，主要在嘌呤和嘧啶、運輸和結合、電壓門控離子通道及轉錄中發揮作用。各物種TYR基因編碼產物主要定位于內質網、高爾基體以及細胞質膜，人有小部分定位于細胞外（111%），而原雞主要定位于細胞外（667%），小部分定位于內質網、高爾基體及液泡中（111%）。系統發育樹分析結果符合動物學進化觀點。

[FK（W14][TPGM1tif]

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